Materiallære
Denne siden er laget som en del av opplæringen i materiallære på skolen. Her har vi skullet finn ut om materialer som er aktuelle for oss i våre bedrifter. Vi skulle finne info på nett og samle sammen den infoen vi mente var nyttig. I min bedrift er det meste laget av rustfrie og syrefaste stål. Først står det litt om stoffer som går inn i stållegeringer. Så står det om stål og de forskjelige typene stål som finnes.
Jernets viktigste metalliske konstruksjons-materialet. Dette skyldes delvis, de store konsentrasjonene som finnes i jordskorpa, og at det er relativt enkelt å redusere med karbon. En annen grunn er jernets spesielt gode egenskaper (valsbarhet, smibarhet, hardhet, styrke o.a.). Egenskapene kan modifieres og nærmest skreddersys spesielle behov og anvendelser ved å justere innholdet av karbon og legeringsmetaller. I tillegg er egenskapene i stor gard avhengig av temperaturbehandlingen materialet har blitt gitt.Det vesentlige av jernet som produseres i verden, fremstilles ved reduksjon av jernoksider med karbon og karbonmonoksid. Prosessen utføres i store masovner. Malmen (Fe203 og/eller Fe304), koks og slaggdannende oksider som CaO eller SiO2 tilføres ovenfra. Under prosessen beveger denne massen seg langsomt nedover i ovnen. Det blåses luft (oksygen) i motsatt retning fra bunnen og oppover i ovnen. Temperaturen i masovnen er lavest i toppen og øker nedover fra ca. 250 °C til ca. 1500 °C nederst hvor slagg og jern tappes av. Jernet reduseres av CO-gass som dannes ved reaksjon mellom luften som blåses inn og karbonet i de nedre deler av ovnen.
Reduksjonen beskrives kjemisk ved: Fe-oksid + CO(g) = Fe + CO2(g)
Under malmens gang nedover i ovnen blir jernoksidene gradvis redusert.
Reduksjonen begynner ved ca. 400 °C: 3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2
Jernet som dannes inneholder karbon. Ved ca. 1200 °C begynner dette jernet å smelte. (Rent jern smelter ved 1539 °C). Jernet som tappes av fra bunnen av ovnen, råjernet, har en temperatur på 1400-1500 °C.
Reduksjonen av oksidene til de andre grunnstoffene (Mn, Si, P osv.) starter over ca. 900 °C. Disse grunnstoffene løses også i jernet.
Jernet som tappes av har et karboninnhold pa 3-4 %. Dette jernet veldig hardt og sprøtt. For å få et stål som kan valses, må karboninnholdet reduseres til mindre enn 2 %. Dette oppnås ved at luft blåses gjennom det smeltede råjernet slik at karbonet oksideres.
Jern benyttes i all hovedsak i stål. Stål er legeringer med jern og karbon som de primære legeringsgrunnstoffene og defineres ofte som jern-karbon-legeringer med opp til 2,1 % karbon. Karbonet gjør stålet sterkere ved å gå inn mellom jernatomene i krystallgitteret. Jernatomene glir dermed ikke så lett over hverandre, og legeringen blir hardere enn rent jern. Karbonatomene vil også påvirke effekten av temperaturbehandlingen slik at stålet blir mer herdbart. Andre vanlige legeringsgrunnstoffer er mangan, krom eller nikkel. Jern med karboninnhold over 2,1 % kalles støpejern.
Karbon (C)
Karbon løses interstitielt (fyller mellomrom) i mange metaller (f.eks. jern og titan) i fast tilstand, samt i flere metallsmelter. Det er flere forbindelser av karbon enn av noe annet grunnstoff unntatt hydrogen. De aller fleste er organiske forbindelser.Mulige oksidasjonstall for karbon er +II, +IV og –IV, i uorganiske forbindelser er +IV det vanligste. Med de mest elektropositive grunnstoffer dannes karbider med oksidasjonstall –IV. Karbon fremviser en unik egenskap blant grunnstoffene ved å danne relativt stabile karbon–karbonbindinger, noe som gir opphav til rette eller forgrenede kjeder, alifatiske forbindelser, eller ringer, aromatiske forbindelser. Dette er hovedtemaet for den organiske kjemien.
Fosfor (P)
Fosfor forekommer ikke fritt i naturen, men hovedsakelig som salter av ortofosforsyren H3PO4. Det er estimert at fosfor utgjør 0,087 vektprosent av jordskorpen. Apatitt er det viktigste fosfatmineralet, særlig fluorapatitt, Ca5(PO4)3F. Store forekomster av dette mineralet finnes i Afrika, Russland, USA, Mexico og Peru. Jordens reserver av fosfatmineraler antas å utgjøre minst 180–200 milliarder tonn med et innhold på minst 60 milliarder tonn fosforpentoksid, P4O10. Av andre mineraler kan nevnes jernfosfatet vivianitt, Fe3(PO4)2·8H2O, aluminiumfosfatet wavelitt, Al3(OH)3(PO4)·5H2O og ceriumfosfatet CePO4, som spiller en viktig rolle for cerium, sjeldne jordartsmetaller og thorium. Mange jernmalmer inneholder også fosfater, fremfor alt minettmalmene i Lorraine og nordsvenske jernmalmer.Elementært fosfor fremstilles teknisk ved å varme opp en blanding av apatitt, koks og kvartssand i elektriske ovner ved 1400–1600 °C. Energiforbruket er ca. 14 kW per kilo fremstilt fosfor. Kalsiumsilikat dannes, og fosforpentoksid frigjøres 2Ca3(PO4)2 + 6SiO2 → 6CaSiO3 + P4O10, som reduseres med karbon under dannelse av to-atomige fosformolekyler og karbonmonoksid: P4O10 + 10C = 2P2 +10CO. Dampen ledes fra, og hvitt fosfor kondenseres i vann. Den avkjølte fosformassen blir renset ved destillasjon. Hvitt fosfor kommer i handelen som støpte stenger. Det må oppbevares under vann for å hindre reaksjon med oksygenet i luft.
Nitrogen (N)
I industriell skala fremstilles nitrogen av luft. Luften avkjøles til flytende luft, og nitrogen skilles fra den andre hovedkomponenten i luft, oksygen, ved fraksjonert destillasjon. Fordi nitrogenets kokepunkt (–195,8 °C) er noe lavere enn oksygenets (–183 °C), er nitrogen mer flyktig enn oksygen og fordamper fortrinnsvis i de første fraksjonene.En kjemisk metode til teknisk fremstilling av nitrogen i luft er å binde oksygenet ved reaksjon med karbon ved å brenne kull i luft, (4N2 + O2)luft +C = 4N2 + CO2, og å fjerne karbondioksidet fra gassblandingen. Ved å bruke mindre luft, brennes karbonet til karbonmonoksid, CO: (4N2 + O2)luft + 2C = 4N2 + 2CO. En slik blanding av nitrogen og karbonmonoksid kalles generatorgass Nitrogenet kan fremstilles ved å fjerne karbonmonoksidet.
Nitrogen kommer i handelen fylt på stålflasker under høyt trykk eller som flytende nitrogen i dewarbeholdere. Flytende nitrogen må behandles med forsiktighet for å unngå frostskader. Den viktigste bruk av nitrogen er i fremstilling av ammoniakk. Det tjener videre som utgangsmateriale for fremstilling av mange viktige nitrogenforbindelser, f.eks. nitrogenholdige kunstgjødselsprodukter, nitrogenoksider, salpetersyre, aminer, cyanider, kaliumcyanamid m.m. Nitrogen brukes også som beskyttelsesatmosfære for å hindre oksidasjon av metaller, matvarer, oksygenømfintlige kjemikalier. Flytende nitrogen blir i økende grad brukt som kjølemiddel og for rask nedfrysing av matvarer og andre stoffer.
Crom (Cr)
Kjemisk sett er metallisk krom meget motstandsdyktig. Det løses langsomt i fortynnet saltsyre og svovelsyre under utvikling av hydrogen. Det dannes først blå Cr(II)-løsninger som raskt oksideres videre av oksygenet i luften til Cr(III)-løsninger. Metallet blir ikke angrepet av oksiderende syrer som salpetersyre, fordi det dannes en beskyttende passiv tynn film av Cr2O3 på metallet. Den reaksjonstrege Cr2O3-filmen gjør at krom og dets legeringer har meget god korrosjonsbestandighet. Pga. sin sprøhet og lave duktilitet brukes krom ikke som rent metall, men generelt som legeringstilsetning, særlig for å gi legeringene god korrosjonsbestandighet. Dette gjelder også for bruken av krom i superlegeringer for anvendelser ved høye temperaturer, bl.a. i gassturbiner. Disse har ofte nikkel og til dels kobolt som basismetall og har legeringstilsetninger av krom, aluminium, titan, wolfram o.a. En annen funksjon av krom i mange legeringer er gjennom utfelling av fine partikler av kromkarbider, f.eks. Cr23C6, å hindre bevegelser av dislokasjoner i strukturen. Man unngår dermed at de mekaniske egenskaper endres. Korrosjonsbestandige superlegeringer med stor elektrisk resistans brukes i heteelementer.
Krom tilsettes i jern for å gi økt korosjonsbestandingshet.Nikkel (Ni)
Syrer som saltsyre og svovelsyre løser nikkel ved oppvarming og danner grønne løsninger av tilsvarende salter. Rent nikkel løses ikke i konsentrert salpetersyre fordi metallet da passiveres.Den viktigste anvendelse av nikkel er som legeringstilsetning for jern og stål, kobber, sink, aluminium m.fl. og som basismetall for superlegeringer for anvendelser ved høye temperaturer. Legeringene karakteriseres generelt ved korrosjons- og varmebestandighet og har mange anvendelser i maskiner, motorer, konstruksjoner, elektrisk motstandsmateriale, magneter, myntmetall o.a.
Molybyden (Mo)
Metallet er sølvgrått og har stor seighet og fasthet selv ved høye temperaturer. Av metallene er det bare wolfram og tantal som har høyere smeltepunkt. Det forarbeides til blikk, tråd, stav, rør m.m. Ved oppvarming i luft anløpes molybden med dannelse av en film eller tynt skall av molybdenoksid. Reaksjonen blir relativt rask ved temperaturer over 650–700 °C. Dette skyldes at molybden(VI)oksid sublimerer under disse forholdene. Metallet kan derfor bare brukes ved høye temperaturer i vakuum eller i beskyttelsesatmosfærer.Ca. 85 % av molybdenproduksjonen forbrukes i jern- og stålindustrien. Nesten alle typer stål inneholder små mengder molybden, for det meste under 1 %, men for spesielle legeringer også i større mengder. Små mengder molybden gir støpejern økt styrke og seighet. Større tilsetninger øker også ståltypers herdbarhet, formbarhet, bestandighet mot slitasje, styrke ved høye temperaturer o.a. Tilsetning av molybden til rustfrie stål forbedrer korrosjonsbestandigheten i mange miljøer. Superlegeringer, basert på nikkel, kobolt og/eller jern, inneholder også ofte molybden for å øke styrken ved høye temperaturer. Pga. sine egenskaper har molybdenholdige stål utstrakt anvendelse for konstruksjonsformål, i verktøy, tannhjul, aksler, i fly-, bil- og motorindustrien o.a.
Vanadium anvendes først og fremst som legeringsmetall for jern og stål i form av ferrovanadium. Selv små mengder av metallet (0,1–0,2 %) øker i vesentlig grad stålets seighet og fasthet samtidig som det virker deoksiderende. Vanadiumstål blir brukt som konstruksjonsstål, i bil- og motorindustrien, som hurtigskjærende verktøy m.m. Stål legeringer som er tilsatt vanadium kalles ofte for verktøystål. Det er også et viktig legeringsmetall sammen med aluminium i titanlegeringer og i superlegeringer m.m.
Stål er en smibar legering av jern og karbon med et karboninnhold på 1,7-2%, og kan ha et vidt variasjonsområde i egenskaper, avhengig av produksjonsprosess, varmebehandling og sammensetning.
Stål hører til under gruppen Jernlegeringer som deles opp i stål og støpejern.
Stål deles opp i "ulegert og lavleget" og "høylegert stål". Som så er delt opp igjen i Hurtigstål og rustfritt stål. En side gren til rustfritt stål er syrefast stål.
Ulegert stål:
Omtrent 90% av verdens stålprodukter hører til under de ulegerte stålene. Ulegert stål har et karboninnhold på 0,01-2,0%. Egenskapene bestemmes av karboninnholdet, selv om det også er fosfor, svovel, nitrogen og andre bestanddeler til stede. Legert stål er tilsatt større mengder legeringselementer for å oppnå ønskede kvaliteter.
Lavlegert stål:
Lavlegert stål inneholder mer mangan eller silisium en det som går med til deoksydasjonsprosessen. Utenom jern, inneholder stålet 2-4 % andre legeringselementer.
Lavlegert støpestål brukes typisk i offshorekonstruksjoner, stempeltopper, sylinderdeksel, slitedeler, beltesko og gravemaskintenner.
Dette stålet vil inneholde hovedlegeringselementer som nikkel, krom eller molybden og små mengder med vanadium, kobber og bor.
Materialet har større seighet, bedre motstandsevne mot atmosfærisk korrosjon, tåler større utmatting og slitasje og er lettere å sveise i forhold til ulegert støpestål.
Typer lavlegert stål: Kromstål, Nikkelstål, Nikkelkrom stål, Krommolybden stål, Kromvanadium stål og Hurtigstål/verktøystål.
Støpestål:
Støpestål er stål som egner seg for en endelig forming ved støping. Det anvendes til formål hvor styrke og duktilitet hos støpejernet ikke er tilstrekkelig. Samtidig kan det sveises og maskineres.
Høylegerte støpestål:
Det er naturlig å dele høylegert støpestål inn i tre grupper: Varmefaste, rustfrie og slitestål. Varmefaste støpestål har god seighet, høy strekkfasthet, god motstand mot skalling og dannelse av grafittflak.
Rustfrie støpestål har stor fasthet og seighet, samt gode korrosjonsegenskaper. Støpte slitestål er svært slitesterkte, har god seighet, utmattingsegenskaper og herdbarhet.
Rustfrie stål:
En begrensning for de ulegerte og lavlegerte stålene er at de reagerer med omgivelsene. De korroderer i vann og fuktig miljø, og det dannes glødeskall ved påvirkning av høy temperatur.
Ved innlegering av større mengder krom blir det imidlertid dannet en film av kromoksid på stålet, som senker korrosjons- og oksidasjonsreaksjonene. De enkle rustfrie stålene inneholder ca. 12 % krom. Kvaliteter med bedre korrosjonsbestandighet har nærmere 20 % krom og er legert med nikkel, molybden o.l.
Definisjonen på et rustfritt stål er at det inneholder minimum 12 % krom (Cr). Ingen stål er i realiteten rustfrie, men motstanden mot korrosjon og rustangrep er bedre for de høylegerte enn for lavlegerte stål.
Varmebehandling:
Stål er et materiale der materialegenskapene i veldig stor grad kan påvirkes og endres ved hjelp av varmebehandling.
Syrefaste stål:
Syrefast eller syrebestandig stål inneholder foruten jern karbon og krom også en del nikkel og/eller mangan samt mindre kvantiteter av andre metaller som molybden, niob og titan. Molybydenet er med på å gjøre stålet syrefast. Hvilket legerings forhold det skal være kommer ann på hvilket miljø stålet skal utsettes for. Syrefast stål brukes i miljøer med større kjemiske påkjenninge, f.eks. rørdeler, rustfrie skruer og mutre, detaljer som kommer i kontakt med syrer samt deler til båter. Mengden av de forskjelige legeringskomponentene bestemmes ut i fra type syre, konsentrasjon og miljø.
http://ndla.no/nb/fag/35/topics/56993
http://www.hjorundfjord.no/saboskule/arkiv/Prosjekt/Metall/Jern/JERN.htm (bilde)
http://images-of-elements.com/carbon.php (bilde)
http://images-of-elements.com/phosphorus.php (bilde)
http://images-of-elements.com/nitrogen.php (bilde)
http://images-of-elements.com/chromium.php (bilde)
http://images-of-elements.com/nickel.php (bilde)
http://images-of-elements.com/molybdenum.php (bilde)
http://images-of-elements.com/vanadium.php (bilde)
